encriptação totalmente homomórfica: conceito e aplicações

A tecnologia de encriptação é frequentemente utilizada para proteger a segurança de dados estáticos e de dados em trânsito. A encriptação estática armazena os dados encriptados, e apenas os autorizados podem acessar o texto claro após a decriptação. A encriptação em trânsito garante que os dados transmitidos pela rede só possam ser interpretados pelo destinatário designado, mesmo que sejam interceptados, não podem ser quebrados. Esses dois cenários dependem de algoritmos de encriptação, e também é necessário garantir a integridade dos dados, evitando que sejam alterados.

Para certos cenários de colaboração entre múltiplas partes, é necessário realizar um processamento complexo sobre os textos cifrados, o que envolve tecnologias de proteção de privacidade, encriptação totalmente homomórfica ( FHE ) é um exemplo. Por exemplo, em uma votação online, os eleitores cifram os resultados dos votos e os submetem a uma parte intermediária, que compila todos os textos cifrados, calcula o resultado final e o publica, mas não consegue ver o conteúdo de cada voto.

As soluções de encriptação tradicionais têm dificuldade em alcançar este objetivo, pois os estatísticos precisam de descriptografar todos os dados para contabilizar os votos, o que expõe os resultados de votação individuais. As barreiras de isolamento de hardware, como o TEE, podem oferecer alguma proteção, mas podem existir falhas que levam ao vazamento de chaves.

A encriptação totalmente homomórfica permite realizar cálculos de funções diretamente sobre o texto cifrado, obtendo os resultados cifrados sem a necessidade de decifrar, assim protegendo a privacidade. A FHE é um esquema de encriptação compacto, onde o tamanho do texto cifrado do resultado e a complexidade da decodificação dependem apenas da entrada original, sem depender do processo de cálculo. A FHE é frequentemente vista como uma alternativa a ambientes seguros como TEE, cuja segurança se baseia em algoritmos criptográficos em vez de hardware.

Os sistemas FHE geralmente incluem várias categorias de chaves:

• Chave de decriptação: chave principal, utilizada para decriptar o texto cifrado FHE, geralmente mantida apenas pelo detentor.
• Chave de encriptação: usada para converter texto simples em texto cifrado, divulgada no modo de chave pública.
• Chave de cálculo: utilizada para operações homomórficas sobre o texto cifrado, pode ser pública, mas não pode ser usada para descriptografar.

Existem vários padrões de aplicação comuns para FHE:

1. Modelo de outsourcing: subcontratar tarefas de cálculo para a nuvem, mas proteger a privacidade dos dados de entrada.

2. Modo de cálculo entre duas partes: ambas as partes contribuem com dados privados para o cálculo, mas não revelam a privacidade uma da outra.

3. Modo de agregação: agregação de dados de múltiplas partes, aplicada em aprendizagem federada, votação online, etc.

4. Modo cliente-servidor: o servidor fornece serviços de cálculo de modelos de IA privados para múltiplos clientes.

A FHE pode garantir a correção dos resultados de cálculo, através da introdução de redundância, assinaturas digitais e outros métodos de verificação. A gestão descentralizada da chave de decriptação pode prevenir a decriptação de resultados intermediários. A FHE inclui encriptação homomórfica parcial, encriptação homomórfica hierárquica e encriptação totalmente homomórfica, sendo que a encriptação totalmente homomórfica é a mais poderosa, mas requer a execução periódica de operações de auto-inicialização de custo elevado para controlar o ruído.